CN115134932A - 一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输方法 - Google Patents

一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输方法 Download PDF

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CN115134932A CN202210906693.5A CN202210906693A CN115134932A CN 115134932 A CN115134932 A CN 115134932A CN 202210906693 A CN202210906693 A CN 202210906693A CN 115134932 A CN115134932 A CN 115134932A
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Abstract

本发明公开了一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输方法，传输系统包括源节点、一个授权用户、一个窃听用户和一个免授权用户。本发明中，整个通信过程分五个步骤完成：1)源发送训练序列；2)每个用户估计自己的信道状态信息；3)授权用户将自己的发送信噪比，目标速率和信道状态信息反馈给源；4)源计算处授权用户的解码门限并广播授权用户的有效接收信噪比和门限值。5)利用功率控制发送人工噪声策略：在保证授权用户的服务质量的基础上，通过设计，控制授权用户和非授权用户的发送功率，在获得免授权用户的最大化可达速率的同时，使用部分/全部功率发送人工噪声降低窃听用户的安全可达速率，从而提高系统的安全性。

Description

一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输 方法
技术领域
本发明属于无线通信网络技术领域中物理层安全领域，尤其涉及采用非正交多址接入技术辅助的半免授权的无线通信网络。
背景技术
在5G时代，智能终端普及带来的移动数据量的爆炸式增长，对无线通信网络的速率、时延、信号覆盖率等提出了更高要求。迄今为止，为了满足不断提升的社会需求，移动通信技术始终保持着高速迭代。第一代移动通信技术是一种利用模拟调频和频分多址的模拟通信技术，主要基于蜂窝组网结构以克服大区制容量低和活动范围受限的问题，实现语音功能；为了提高通信的信道容量和抗干扰能力，降低通信投资成本，提出了第二代利用时分多址技术和以语音和短信业务为主的窄带数字通信技术；第三代多媒体移动通信系统，利用码分多址技术，不仅要求要有大的系统容量，还要能支持话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输；第四代移动通信技术也称为广带介入和分布网络，它利用正交频分多址技术，代表移动多媒体，全球移动解决方案，集成无线和定制的服务。目前，我们正处于第五代移动通信技术商用的时代，即将迈进万物互联的便捷时代。
非正交多址接入技术：作为一种很有前途的多址技术，被广泛认为是5G无线网络中有效利用频谱资源的一种技术。非正交多址接入技术基本思想是在发送端采用叠加编码技术，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除技术实现正确解调。非正交多址接入主要分为功率域非正交多址接入、码域非正交多址接入和空域非正交多址接入技术。本发明中如无特别指出，非正交多址接入均指功率域非正交多址接入。功率域非正交多址接入是指以不同功率在相同时频资源叠加信号并在接收端执行干扰消除的通信技术。
随着大规模设备将会接入有限的频谱中，物联网中的两大场景：超可靠低延迟通信(URLLC)和大规模机器类型通信(mMTC)，它们对时延和信令开销有较为严格的要求，即较低的延迟和信令开销。
半免授权策略：是一种具有小数据包和延迟容忍流量的机器类型用户使用免授权方案和一些具有大数据包和延迟敏感流量的用户使用授权方案的结合，是一种控制接入频谱资源的免授权用户数量策略。为了缓解争夺资源冲突并获得大规模连接性，这一策略既能够让免授权用户(延迟容忍的设备)共享授权用户的频谱资源，同时不影响授权用户独占信道与基站通信，又解决了大量用户超出非正交多址接入容量不能够成功解码用户的信息的问题。
物理层安全技术：物理层安全无需密钥，利用无线信道的时变性加密通信系统，理论上可以实现信息传输的绝对安全。由于终端计算能力逐步增强，窃听器破解信息的能力也在逐渐提升。传统密码学在信息加密领域面临越来越大的压力。物理层安全以信息论为基础，在物理层实现信息安全，是通信领域非常有前景的加密方式。
一般上行非正交多址接入通信网络模型如附图1所示。图中S为源节点，U1和U2分别为强弱用户。源节点采用串行干扰消除技术，在上行非正交多址接入通信系统中，基站解码用户的信息主要有两种：1.根据用户的信道状态信息(CSI)解码用户的信息，即基站先解码CSI较强的用户U1(近用户)的信息，然后通过串行干扰消除技术删除该信号，再解码CSI较弱的用户U2(远用户)的信息，因为基站先接收到U1的信号，可以将接收到的信号解码并删除，再解码后接收到的信号；2.根据用户的服务质量(QoS)解码用户的信息，即为了保证用户U1的服务质量，先解码该用户的信息，再解码用户U2的信息，因为U1可能是一种时延敏感的设备，具有较高的优先级。本发明主要是基于用户的服务质量考虑的。
半免授权通信技术不仅可以提高频谱效率而且还可以降低信令开销，同时与非正交多址接入技术相结合，能够解决多用户争夺同一资源块时发生的碰撞问题，也能够使得系统性能得到显著提升。半免授权通信与非正交多址接入技术的结合可以进一步提升非正交多址接入通信系统的性能。如附图2所示。图中S为源，UB和UF分别为时延敏感和具有时延容忍的用户，在保证授权用户的服务质量的情况下，免授权用户的功率增益是否大于解码门限值τ(|gB|2)，将所有的免授权用户分为两种情况：情况1中的用户信道增益大于门限值，即源无法直接正确解码授权用户的信息，只能在串行干扰消除的第一阶段先解码免授权用户的信息。情况2中所有用户的信道增益小于门限值。因此该组的免授权用户的信息可以串行干扰消除的第一阶段解码，也可以在第二阶段解码。通过对两个阶段的免授权用户的可达速率进行比较，在第二阶段解码GF用户的信息可以获得最大的可达速率。
物理层安全是基于信息论的安全理论。它利用无线信道的时变性，结合信道编码和加密技术保证信息不被窃听者破译。C.E.Shannon于1945年在经典文献(参见文献[1]：Shannon C E.Communication theory of secrecy systems[J].The Bell SystemTechnical Journal,1949,28(4):656-715.)中从信息论的角度证明：要实现消息的绝对安全，通信过程必须使用“一次一密”的加密方法，即一比特数据应有一比特密钥。该条件过于严苛，在工程领域很难应用。A.Wyner于1975年在Shannon研究的基础上首次建立含噪声的窃听信道模型(参见文献[2]：Wyner AD.The wire-tap channel[J].The Bell SystemTechnical Journal,1975,54(8):1355-1387.)，如附图3所示，该窃听模型是对Shannon模型的改进，在该模型中Wyner证明：当主信道的信道状况优于窃听信道的信道状况时，信源和合法接收端进行信息传输时，一定存在一种编码方式，可使传递信息错误的概率达到任意小，此时窃听端无法获知任何有用信息，系统达到绝对安全。并从信息论的角度，利用信源熵定义了物理层安全。经过几十年的发展，物理层安全理论逐渐成熟。采用物理层安全实现无线通信系统的安全传输越来越成为学术界和业界研究的热点。系统物理层安全的衡量指标主要有遍历保密容量和安全中断概率等，其中安全中断概率指系统的瞬时安全容量小于给定门限值的概率，数学表达式为：
Figure BDA0003772702180000031
其中，γD和γE表示目的端和窃听端的信噪比，
Figure BDA0003772702180000034
Rs表示安全速率阈值，FD(x)表示主信道信噪比的累积分布函数。f(γE)表示γE的概率密度函数。
基于非正交多址接入、半免授权和物理层安全理论结合构建的上行通信系统，将广泛应用于低延迟、高频谱效率、多连接的超可靠低延迟通信和超多机器类型通信系统。
发明内容
针对上行非正交多址接入辅助的半免授权系统在传输中可能存在窃听者的系统安全问题，本发明考虑了该系统的安全性，同时功率控制并发送人工噪声策略，在保证授权用户的服务质量的基础上进一步提升非正交多址接入系统的安全传输。
本发明基于物理层安全技术，考虑上行非正交多址接入辅助半免授权系统中免授权用户的安全性。公开了一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输调度策略，该策略的核心是基于物理层安全技术，通过控制授权用户和非授权用户的功率，在获得最大可达速率的同时，降低窃听用户的窃听速率，具体包括以下步骤：
步骤S1：系统初始化；在由一个授权用户UB、一个免授权用户UF、一个窃听用户E和一个源节点S组成的上行非正交多址接入系统中，所有的节点都装备单天线，从授权用户和非授权用户到源节点和窃听用户的信道系数分别为gbs，gfs，gbe和gfe；所有的用户的信道增益表示为hij＝|gij|2，其中i∈{b,f}和j∈{s,e}；
步骤S2：源发送导频信号，每个用户通过信道估计算法估计各自信道的信道状态信息，然后授权用户将自己的传输信噪比，目标速率RB和信道状态信息gbs反馈给源；
步骤S3：源计算授权用户的解码门限τB＝max{0,τ(hbs)}，其中
Figure BDA0003772702180000032
由
Figure BDA0003772702180000033
得到，PB为授权用户的发送功率，RB为授权用户的速率门限值，hbs表示授权用户的信道增益，并广播授权用户的有效接收信噪比PBhbs和解码门限τB；
步骤S4：当解码门限τ(hbs)＜0，即hbs＜αB时，则授权用户发送人工噪声，源只解码免授权用户的信号。当hbs＞αB，且免授权用户的功率增益小于解码门限时，免授权用户的信号在SIC的第二阶段被解码，且授权用户和免授权用户均以全部功率发送信号；当hbs＞αB，且免授权用户的功率增益大于解码门限时，免授权用户的信号在SIC的第一阶段被解码，免授权用户用全部功率发送自己的信号，或免授权用户执行功率控制，用一部分功率PF发送自己的信号，另一部分功率发送人工噪声。
本发明的有益效果主要是：考虑充分利用功率资源和增强系统的安全性，在保证授权用户的服务质量的下，通过对授权用户和非授权用户进行功率控制，即在获得免授权用户的最大化可达速率的同时，使用部分功率发送人工噪声，来降低安全速率，从而提高了系统安全性能。
本发明的有益效果具体来自以下两个方面：
(1)通过对授权用户和免受权用户的功率进行控制，获得免受权用户的最大化可达速率，同时降低窃听用户的窃听速率，与两种基准相比，能够达到一个更好的安全性能。
(2)该提出的策略不再受速率对(可达目标速率和安全目标速率)的影响，即该系统适用于任何情况下的速率对。
附图说明
图1为一般上行非正交多址接入系统的模型；
图2为非正交多址接入辅助的半免授权安全系统模型；
图3为Wyner窃听信道模型；
图4为免授权用户的数量对非正交多址接入辅助的系统安全中断概率的影响；
图5为速率对系统安全中断概率的影响；
图6为非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输方案实施流程。
具体实施方式
如图3所示，本发明考虑非正交多址接入辅助的系统的安全性，其中，S表示源，UB和UF分别为时延敏感和具有时延容忍的用户，E为窃听端。本发明实施例所述通信系统包含有源S，一个授权用户UB，一个窃听节点E和一个免授权用户UF，并且源和所有用户均配备单天线。从授权用户和免授权用户到源和窃听用户的信道系数分别为gbs，gfs，gbe和gfe。所有的用户的信道假设为独立同分布和瑞利信道。为了使得分析简单，信道增益表示为hij＝|gij|2，其中i∈{b,f}和j∈{s,e}。
本发明实施例基于物理层安全技术，考虑上行非正交多址接入辅助半免授权系统中免授权用户的安全性。公开了一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输策略，该策略的核心是基于物理层安全技术，通过功率控制获得最大可达速率用户的同时，降低窃听用户的窃听速率。本发明的具体实施流程如图6所示，主要分为三个阶段，第一阶段主要包括：源发送训练序列，每个用户估算自己的信道状态信息，授权用户将自己的发送信噪比、速率门限和信道状态信息反馈给源，源计算并广播授权用户的解码门限和有效接收功率增益；第二阶段中根据授权用户的解码门限，对免授权用户和授权用户进行功率控制；第三阶段主要是根据两个用户发送信号的不同，给出了安全中断概率的表达式并进行推导。具体实施流程共分为五个步骤：
步骤S1：源先广播导频信号。本步骤有两个目的：(1)估计授权用户和免授权用户的信道状态信息，即S-UB和S-UF的各路信道状态信息；(2)估计窃听信道的信道状态信息。即S-E信道的信道状态信息。各链路信道状态信息的获取可通过监测各端口的传输或采用一些复杂的信道估计算法实现，具体方法(参见文献[3]Zou Y,Zhu J,Wang X,etal.Improving physical-layer security in wireless communications usingdiversity techniques[J].IEEE Network,2015,29(1):42-48.)文中不再赘述。
步骤S2：授权用户将自己的传输信噪比，目标速率RB和信道状态信息gbs反馈给源(参见文献[4]：Z.Ding,R.Schober,and H.V.Poor,"A new QoS-guarantee strategy forNOMA assisted semi-grant-free Transmission,"IEEE Trans.Commun,vol.69,no.11,pp.7489-7503,Nov 2021.)。
步骤S3：源计算授权用户的解码门限τB＝max{0,τ(hbs)}，其中
Figure BDA0003772702180000051
由
Figure BDA0003772702180000052
得到，PF为免授权用户的发送功率，PB为授权用户的发送功率，RB为授权用户的速率门限值，hfs表示免授权用户的信道增益，并广播授权用户的有效接收信噪比PBhbs和τ(hbs)，hbs表示授权用户的信道增益，τ(hbs)表示解码门限。
步骤S4：当τ(hbs)＜0，即hbs＜αB时，αB表示信道增益hbs的门限值，则有
Figure BDA0003772702180000053
这表示授权用户的信道质量太差，总是导致传输发生中断，为了增加源解码免授权用户信号的概率，授权用户被设计为用功率PB发送人工噪声来迷惑窃听用户，不发送自己的信号，设源能够优先消除人工噪声信号，不影响解码合法用户信号的解码顺序，所以只有免授权的信号被源解码，此时，免受权用户的可达速率为
Figure BDA0003772702180000054
窃听用户的可达速率为
Figure BDA0003772702180000055
hbs＞αB表示授权用户的信号传输不是总处于中断，则以功率PB发送自己的信号。当hbs＞αB，PFhfs＜τB＝τ(hbs)时，免授权用户的信号在第二阶段被解码，此时免受权用户的可达速率为
Figure BDA0003772702180000056
窃听用户的可达速率为
Figure BDA0003772702180000057
当hbs＞αB，PFhfs＞τB时，为了获得免受权用户得最大化可达速率，免授权用户有两种方式处理自己的发送功率：一是用全部功率发送自己的信号，此时其信号在第一阶段被解码，则免受权用户的可达速率可以表示为
Figure BDA0003772702180000061
对应的窃听用户的可达速率为
Figure BDA0003772702180000062
另一种是执行功率控制，发送一部分功率PF，使得其信号在第二阶段被解码；此时获得的可达速率
Figure BDA0003772702180000063
其中
Figure BDA0003772702180000064
另一部分(1-β)PF用来发送人工噪声，则窃听用户的可达速率为
Figure BDA0003772702180000065
对上述讨论进行总结，即当
Figure BDA0003772702180000066
时，不采用功率控制；当
Figure BDA0003772702180000067
时，采用功率控制，则有
Figure BDA0003772702180000068
其中
Figure BDA0003772702180000069
步骤S5：所述步骤S4中，源接收到的信号的表达式为
Figure BDA00037727021800000610
其中Pi和gj，i∈B,F和j∈bs,fs分别表示用户Ui的传输功率和信道增益，xi为Ui发送的单位功率信号，即
Figure BDA00037727021800000611
n表示均值为0方差为σ2的加性高斯白噪声。
下面分析本发明实施例系统的安全性能。利用概率论推导出系统的安全中断概率，根据安全中断概率的表达式和一些代数运算，可得免授权用户UF发送信号时的安全中断概率为：
Figure BDA00037727021800000612
其中，Rth表示安全速率门限值，
Figure BDA00037727021800000613
B＝θB-1，
Figure BDA00037727021800000620
上式的安全中断概率的闭式表达式为：
Figure BDA00037727021800000614
其中，
Figure BDA00037727021800000615
Figure BDA00037727021800000616
Rth表示安全目标速率，
Figure BDA00037727021800000617
表示免授权用户的可达安全速率，i∈{I,II,III,IV}和[x]+＝max{x,0}。
Figure BDA00037727021800000618
表示授权用户的信道质量太差总是处于中断时的概率，
Figure BDA00037727021800000619
表示免授权用户的信号在第二阶段被解码的概率，
Figure BDA0003772702180000071
和
Figure BDA0003772702180000072
表示免受权用户是否通过功率控制发送人工噪声的概率。
基于公式(2)，分别对公式(3)中每一项进行公式推导，可得
Figure BDA0003772702180000073
其中，
Figure BDA0003772702180000074
和
Figure BDA0003772702180000075
为指数积分函数。
Figure BDA0003772702180000076
其中，λ1＝αBθth。
Figure BDA0003772702180000077
其中，
Figure BDA0003772702180000078
erf(x)为误差函数，
Figure BDA0003772702180000079
L为总项和，反映准确性和复杂性，
Figure BDA00037727021800000710
λ7＝2λ1θthPB+λ1PF-λ1PB+θth+1。
Figure BDA00037727021800000711
其中，
Figure BDA00037727021800000712
Figure BDA00037727021800000713
Figure BDA00037727021800000714
Figure BDA00037727021800000715
I、M、R和N为总项和，反映准确性和复杂性。
图4为提出的通过功率控制策略发送人工噪声策略达到的安全中断概率。参数设置如下：RB＝1.5bit/s/Hz和Rth＝0.5bit/s/Hz、RB＝1.5bit/s/Hz和Rth＝1.0bit/s/Hz和RB＝2.0bit/s/Hz和RB＝1.0bit/s/Hz。其中“Sim”表示蒙特卡洛仿真结果，“Ana”表示理论分析结果，“Asy”表示渐进结果。本图以蒙特卡洛仿真证明了理论分析的正确性。我们可以从图中可以看出，两个基准随着PB＝PF的增大先将后增，这是因为干扰门限值τB在低功率区域比较小，授权用户能够分享自己信号的概率增加，因此安全性能增加。在高功率区域，免受权用户的信道增益大于干扰门限值，所以随着发送功率的增加安全性能降低并趋于一个常数。与两个基准相比较，提出的策略能够达到一个更好的安全性能，这是因为不仅免授权用户的可达速率被增强，而且通过发送人工噪声还减少了窃听速率。而且，无论怎么改变速率对的值，该提出的策略都能达到一个更好的安全性能。
图5为发送功率对系统安全中断概率的影响。参数设置为：其中RB＝1.5bit/s/Hz和Rth＝1.0bit/s/Hz。“Sim”表示蒙特卡洛仿真结果，“Analysis”表示理论分析结果，“Asy”表示渐进结果。本图以蒙特卡洛仿真证明了理论分析的正确性。从图中可以看出，PF的功率越大，安全性能越好。这是因为在保证授权用户的服务质量和获得最大化可达速率的前提下，有更多的功率能够用来发送人工噪声来降低窃听用户的窃听速率，所以安全性增强。

Claims (5)

1.一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：系统初始化；在由一个授权用户UB、一个免授权用户UF、一个窃听用户E和一个源节点S组成的上行非正交多址接入系统中，所有的节点都装备单天线，从授权用户和非授权用户到源节点和窃听用户的信道系数分别为gbs，gfs，gbe和gfe；所有的用户的信道增益表示为hij＝|gij|2，其中i∈{b,f}和j∈{s,e}；
步骤S2：源发送训练系列，每个用户通过信道估计算法估计各自信道的信道状态信息，然后授权用户将自己的传输信噪比，目标速率RB和信道状态信息gbs反馈给源；
步骤S3：源计算授权用户的解码门限τB＝max{0,τ(hbs)}，其中
Figure FDA0003772702170000011
由
Figure FDA0003772702170000012
得到，PB为授权用户的发送功率，RB为授权用户的速率门限值，hbs表示授权用户的信道增益，并广播授权用户的有效接收信噪比PBhbs和解码门限τB；
步骤S4：当解码门限τ(hbs)＜0，即hbs＜αB时，则授权用户发送人工噪声，源只解码免授权用户的信号。当hbs＞αB，且免授权用户的功率增益小于解码门限时，免授权用户的信号在SIC的第二阶段被解码，且授权用户和免授权用户均以全部功率发送信号；当hbs＞αB，且免授权用户的功率增益大于解码门限时，免授权用户的信号在SIC的第一阶段被解码，免授权用户用全部功率发送自己的信号，或免授权用户执行功率控制，用一部分功率PF发送自己的信号，另一部分功率发送人工噪声。
2.根据权利要求1所述一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：当τ(hbs)＜0，即hbs＜αB时，则有
Figure FDA0003772702170000013
这表示授权用户的信道质量太差，总是导致传输发生中断，为了增加源解码免授权用户信号的概率，授权用户被设计为用功率PB发送人工噪声来迷惑窃听用户，不发送自己的信号，设源能够优先消除人工噪声信号，不影响解码合法用户信号的解码顺序，所以只有免授权的信号被源解码，此时，免受权用户的可达速率为
Figure FDA0003772702170000014
窃听用户的可达速率为
Figure FDA0003772702170000015
hbs＞αB表示授权用户的信号传输不是总处于中断，则以功率PB发送自己的信号；当hbs＞αB，PFhfs＜τB＝τ(hbs)时，免授权用户的信号在第二阶段被解码，此时免受权用户的可达速率为
Figure FDA0003772702170000016
窃听用户的可达速率为
Figure FDA0003772702170000017
当hbs＞αB，PFhfs＞τB时，为了获得免受权用户得最大化可达速率，免授权用户有两种方式处理自己的发送功率：一是用全部功率发送自己的信号，此时其信号在第一阶段被解码，则免受权用户的可达速率可以表示为
Figure FDA0003772702170000021
对应的窃听用户的可达速率为
Figure FDA0003772702170000022
另一种是执行功率控制，发送一部分功率PF，使得其信号在第二阶段被解码；此时获得的可达速率
Figure FDA0003772702170000023
其中
Figure FDA0003772702170000024
另一部分(1-β)PF用来发送人工噪声，则窃听用户的可达速率为
Figure FDA0003772702170000025
3.根据权利要求2所述一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输方法，其特征在于：当
Figure FDA0003772702170000026
时，采用功率控制，则有
Figure FDA0003772702170000027
其中
Figure FDA0003772702170000028
当
Figure FDA0003772702170000029
时，不采用功率控制。
4.根据权利要求1-3任一项所述一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输方法，其特征在于：所述步骤S4中，源接收到的信号的表达式为
Figure FDA00037727021700000210
其中Pi和gj，i∈B,F和j∈bs,fs分别表示用户Ui的传输功率和信道增益，xi为Ui发送的单位功率信号，即
Figure FDA00037727021700000211
n表示均值为0方差为σ2的加性高斯白噪声。
5.根据权利要求1-3任一项所述一种增强的非正交多址接入辅助的半免授权系统安全传输方法，其特征在于：免授权用户UF发送信号时的安全中断概率为：
Figure FDA00037727021700000212
其中，
Figure FDA00037727021700000213
Figure FDA00037727021700000214
和Rth表示安全目标速率，
Figure FDA00037727021700000215
表示免授权用户的可达安全速率，i∈{I,II,III,IV}，[x]+＝max{x,0}；
Figure FDA00037727021700000216
表示授权用户的信道质量太差总是处于中断时的概率，
Figure FDA00037727021700000217
表示免授权用户的信号在第二阶段被解码的概率，
Figure FDA00037727021700000218
和
Figure FDA00037727021700000219
表示免受权用户是否通过功率控制发送人工噪声的概率。
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